Применение водяного льда в качестве защитного покрытия космических объектов от механических повреждений на орбите

Применение водяного льда в качестве защитного покрытия космических объектов от механических повреждений на орбите

Реферат

Изобретение относится к ракетно-космической тематике, в частности к защите космических аппаратов (КА) от механических повреждений микрометеоритами, в том числе маломасштабными фрагментами космического мусора.

В космической технике для защиты от подобных объектов служат обычно покрытия или экраны, имеющие высокие прочностные характеристики. В некоторых случаях такие покрытия (экраны) выполняются многослойными, причем отдельные слои имеют различные физико-механические свойства (Энциклопедия "Космонавтика", М., 1985).

К недостаткам подобных технических решений можно отнести:

- трудности создания такой защиты в условиях космического полета и необходимость доставки таких экранов на орбиту с Земли;

- трудность обнаружения микроповреждений в подобных покрытиях на поверхности КА;

- неспособность таких покрытий восстанавливать свою герметичность после пробоя.

Недавно был предложен способ использования водяного льда в качестве теплозащитного покрытия спускаемых аппаратов и объектов. В этом случае защита поверхности происходит за счет ограниченности температуры внешней поверхности защитного покрытия (температура кипения воды) и высокой удельной теплоты испарения воды. Оба эти фактора обеспечивают снижение теплопритоков к поверхности аппарата (решение о выдаче №2002114365/28 от 31.05.02, прототип).

Недостатком данного технического решения является то, что оно применяется лишь для тепловой защиты объектов, которым предстоит вход в атмосферу планет (например, спуск с орбиты), и не используется на аппаратах, находящихся в космосе длительное время (например, на орбитальных станциях). В то же время именно такие объекты наиболее подвержены воздействию мелких частиц, постоянно находящихся на орбите, и нуждаются в долговременной защите своей поверхности.

Задача предлагаемого решения - расширение арсенала защитных покрытий КА, длительное время находящихся на орбите, где присутствуют мелкодисперсные механические частицы (пыль, мелкие фрагменты космических аппаратов и т.п.).

Поставленная задача решается применением на поверхности таких КА слоя из водяного льда (либо водо-ледяной смеси, поскольку на солнечной стороне КА лед может плавиться).

Принцип действия ледяной защиты заключается в том, что твердая микрочастица, попадая в массив льда, "прожигает" в нем канал, форма и длина которого определяются миделевым сечением и кинетической энергией частицы. Последняя расходуется на плавление льда и испарение воды в объем этого канала. Поскольку же теплота испарения воды высока, частица быстро тормозится, то есть глубина "пробоя" сравнительно невелика и для защиты поверхности требуется сравнительно небольшой слой льда.

Простейшие оценки показывают, например, что для торможения во льду частицы с площадью сечения 1 см² и весом 1 г, летящей относительно КА со скоростью 1 км/с достаточно слоя льда 2,5 мм. Если же скорость такой частицы составляет ˜7 км/с, глубина ее погружения в лед достигает всего ˜10 см.

Таким образом, множество частиц, имеющих не слишком большую скорость и не слишком мелких, при столкновении с КА будут "вмораживаться" в его ледяной защитный слой, который будет служить своеобразным накопителем частиц. За счет этого можно вести и некоторую очистку околоземного пространства от мелких фрагментов космического мусора.

Осуществление предложенного решения может производиться так же, как в упомянутом техническом решении (прототип), где лед используется в качестве ТЗП спускаемого аппарата. Формирование ледяного слоя на поверхности КА может производиться в космосе, на поверхности любой формы, из компонентов топлива ракетных двигателей (H₂ и О₂).

Кроме того, на слое льда хорошо заметны места попадания микрочастиц, а прожженные микрометеоритами каналы обладают способностью "затягиваться", сохраняя (хоты бы временно) герметичность поверхности КА. При значительной величине пробоя возможна простая процедура активного залечивания, т.е. дополнительного напыления льда в данном месте.

Стабильность ледяных покрытий в космосе во времени доказывает длительное существование в космическом пространстве комет, представляющих собой сложный комплекс веществ, однако в своей основе имеющих основными компонентами водяной лед.

Применение покрытия из водяного льда (или водно-ледяной смеси) в качестве защитного покрытия космических аппаратов от механических повреждений на орбите.